CN209597383U - 一种用于固体水中破碎的高压脉冲装置 - Google Patents

Abstract

一种用于固体水中破碎的高压脉冲装置，它包括变压器、设置于变压器初级回路上的晶闸管、以及控制器、接地电极、储能电容，控制器用于控制晶闸管的通断，变压器的次级回路输出端分别与第一电极、放电电极连接，所述接地电极的另一端为第一接地端，储能电容两端并联恒流充电电源，储能电容的一端与第二接地端连接、另一端与高压磁开关的一端连接，高压磁开关的另一端与第二电极连接，第一电极与第二电极之间形成间隙。本实用新型的目的是为了解决现有机械破碎时，容易产生的大量粉尘和金属污染的问题，而提出的一套用于液体中通过高压对目标固体物进行破碎的技术方案。

Description

一种用于固体水中破碎的高压脉冲装置

技术领域

本实用新型涉及固体破碎、脉冲功率技术领域，具体指一种用于固体水中破碎的高压脉冲装置。

背景技术

随着工业的发展，许多工业领域都需要对固体物进行破碎分离，如多晶硅的破碎、宝石矿物的分离、岩石的爆破等等。传统的破碎方法多采用机械式的挤压破碎，包括人工破碎和装置自动破碎，这也是目前使用最广泛的方法。然而考虑到设备和固体材料等方面的影响，成本的降低、固体破碎效率的提升存在很大的难度，同时这种机械式破碎方式存在严重弊端，具体如下：

1)破碎工具与固体接触产生金属污染。2)机械破碎过程中会产生大量粉尘污染环境，且会危害员工健康。同时，对于脉冲固体破碎装置来说，由于直接从电网中获得具有一定波形的大功率脉冲是不可能的，所以需要借助能量储存系统先将能量慢慢积累，然后通过控制系统将能量瞬间释放而产生瞬时高功率脉冲。Tesla脉冲变压器就能实现这种功能。Tesla脉冲变压器工作时，充电电源先对储能电容器充电，当充电完成时可由高功率的可控管实现电路的导通，当电路瞬间导通时，通过一定变比的变压器瞬间将电压抬高，并通过同轴传输线进行时间上的压缩，最后瞬间输出到负载。

Tesla变压器虽然因体积小、机动性强且可重复频率放电的特点可作为破碎固体的装置，但要想达到高效率破碎固体目的，Tesla变压器必须要产生足够高的电压以及向固体材料中注入大量的能量，才能达到膨胀破碎的目的。由于Tesla变压器自身体积较小且储能电容的储能密度无法改变，这势必导致Tesla变压器存储的能量受到限制且储存的能量不大，传统的Tesla变压器可通过一定重复频率的连续放电来实现对固体的破碎，但由于每次放电能量注入不高，所以破碎效率很低且破碎程度不明显。如果随意增加Tesla脉冲变压器的储能电容体积来提升储存容量，这最终会导致了Tesla变压器体积增大，温升问题无法解决，严重影响到装置的使用寿命。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决现有机械破碎时，容易产生的大量粉尘和金属污染的问题，而提出的一套用于液体中通过高压对目标固体物进行破碎的技术方案，同时，本实用新型还能克服在采用Tesla变压器时会导致Tesla变压器体积增大、温升难以控制从而影响装置使用寿命的技术问题。

一种用于固体水中破碎的高压脉冲装置，它包括变压器、设置于变压器初级回路上的晶闸管、以及控制器、接地电极、储能电容，控制器用于控制晶闸管的通断，变压器的次级回路输出端分别与第一电极、放电电极连接，所述接地电极的另一端为第一接地端，储能电容两端并联恒流充电电源，储能电容的一端与第二接地端连接、另一端与高压磁开关的一端连接，高压磁开关的另一端与第二电极连接，第一电极与第二电极之间形成间隙。

包括用于装液质和待破碎固体物的槽体，放电电极、接地电极用于与待破碎固体物接触以对待破碎固体物进行破碎。

上述变压器为Tesla变压器。

上述变压器的次级回路输出端通过同轴传输线与电阻连接后再分别与第一电极、放电电极连接。

上述变压器的初级回路与整流电路连接。

操作时，采用以下步骤：

1)将固体放置于槽体，槽体中加入水，水位超过固体高度。

2)将放电电极、接地电极固定于固体旁，并通以Tesla变压器产生的纳秒级高压脉冲对水中待破碎固体物放电，使其在待破碎固体物中形成导电通道；

3)纳秒级高压脉冲将两电极气体间隙击穿，并使高压磁开关反向饱和，使储能电容器中的能量灌入放电通道，加剧导电通道内放电形成的等离子体膨胀过程，破碎待破碎固体物。

在步骤2)中，首先通过恒流充电电源将储能电容器充电，充电到额定电压；通过控制器使整流电路对Tesla变压器原边电容充电，充电完毕后，通过控制器对晶闸管控制以触发电容器放电，Tesla变压器副边产生高压脉冲，并经过同轴传输线传递到放电电极，并在水中放电。

在高压脉冲通过同轴传输线和电阻对水中放电这个放电回路中，高压脉冲将第一电极和第二电极形成的空气间隙击穿，此时高压磁开关正向饱和，并不能对储能电容器放电，高压脉冲在固体中形成放电通道，放电通道形成后，储能电容器使高压磁开关反向饱和，储能电容器放电，放电完成后，电源分别对储能电容器和Tesla原边电容充电，充电到额定电压后再放电，重复上述过程。

上述接地电极与放电电极相对，且接地电极与放电电极之间距离为50-100mm。

上述放电电极的电极末端为尖端。

采用上述技术方案，能带来以下技术效果：

本实用新型提供的固体破碎装置以Tesla变压器为核心，增加了高压磁开关和储能电容器，主能量的注入是由与磁开关连接的低电压、大容量的储能电容器完成，装置结合了 Tesla变压器型脉冲源易于重频运行和低电压储能电容器储能密度高的优点，克服了Tesla 变压器在大功率重频条件下温升高的缺点以及高电压电容器储能密度低的缺点，通过高压磁开关、两电极空气间隙和电阻实现了Tesla变压器和储能电容器之间的相互隔离，整个高压脉冲水中放电破碎装置的可实现紧凑化、高重频、高功率稳定运行，极大的提高了固体破碎效率。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明：

图1是本次实用新型的结构原理图。

具体实施方式

如图1所示一种用于固体水中破碎的高压脉冲装置，它包括变压器1、设置于变压器初级回路上的晶闸管、以及控制器11、接地电极9、储能电容2，控制器11用于控制晶闸管的通断，变压器1的次级回路输出端分别与第一电极12、放电电极7连接，所述接地电极9的另一端为第一接地端13，储能电容2两端并联恒流充电电源5，储能电容2的一端与第二接地端连接、另一端与高压磁开关3的一端连接，高压磁开关3的另一端与第二电极4连接，第一电极12与第二电极4之间形成间隙。

包括用于装液质和待破碎固体物8的槽体10，放电电极7、接地电极9用于与待破碎固体物8接触以对待破碎固体物8进行破碎。

所述变压器1为Tesla变压器。

所述变压器1的次级回路输出端通过同轴传输线14与电阻6连接后再分别与第一电极12、放电电极7连接。

所述变压器1的初级回路与整流电路15连接。

所述放电电极7的电极末端为尖端。

其中，Tesla变压器1中的两个晶闸管分别外接于控制器11控制晶闸管通断，且Tesla 变压器1与电阻6的一端连接，电阻6的另一端连接放电电极7，接地电极9与大地相连并放置在实验固体材料表面约10mm处，实验固体材料放置于盛水的槽体10中，同时接地电极9与高压放电电极7相对，相隔于正极50-100mm。

放电电极末端为尖端，可提高电极与固体接触处的电场强度，确保场强足够高，能在待破碎固体物8内部形成放电通道。储能电容器2两端并联恒流充电电源5，其中一端与大地相连，另一端与高压磁开关3串联，高压磁开关3的另一端连接第二电极4，第一电极12连接电阻6。当两电极形成的气体间隙导通且等离子通道形成后，此时储能电容器2 注入较大能量，对实验固体材料8实施破碎。

其工作原理为，当储能电容器2经过恒流充电电源充电完成后存储有大量能量，此时通过控制器11使经过充电后的Tesla变压器1进入工作状态，进入工作状态后的Tesla变压器1会对第一电极12和第二电极4形成的气体间隙和水槽10中待破碎固体物8同时进行放电，两电极形成的气体间隙会被击穿导通，使高压磁开关3正向饱和，由于高压磁开关3未正向饱和时，阻抗较大，存在隔离，使Tesla变压器1并不会对储能电容器2放电，最终高压脉冲会在实验固体中放电形成等离子导电通道。当两电极气体间隙4导通后，电极间的阻抗减小，储能电容器2使高压磁开关3反向饱和，储能电容器2开始通过高压磁开关3放电，此时第一电极12和第二电极4形成的气体间隙持续导通，同时电阻6的存在可避免储能电容器2对Tesla脉冲变压器1放电，最后将大量能量注入到待破碎固体物8 中实现破碎。

在具体使用时，采用以下步骤：

1)将固体放置于水槽中，水位超过固体高度约一半。

2)将高压放电电极正负极固定于固体旁，并通以Tesla变压器产生的纳秒级高压脉冲对水中固体放电，使其在固体中形成导电通道。

3)纳秒级高压脉冲将两电极气体间隙击穿，并使高压磁开关反向饱和，使储能电容器中的能量灌入放电通道，加剧导电通道内放电形成的等离子体膨胀过程，破碎固体物。

在步骤2)中，首先通过恒流充电电源将10μF储能电容器充电，充电到额定电压20kV。通过控制系统使变压器整流电路对Tesla变压器原边4μF电容充电，充电电压为-5kV。充电完毕后，通过触发控制系统，触发4μF电容器放电，Tesla变压器副边产生200kV的高压脉冲，并经过同轴传输线传递到高压放电电极，并在水中放电。

在步骤3)中，在200kV高压脉冲通过传输线和电阻对水中放电这个放电回路中，高压脉冲将两电极形成的气体间隙击穿，此时高压磁开关正向饱和，并不能对储能电容器放电，磁开关未正向饱和时，阻抗较大，高压脉冲在固体中形成放电通道。放电通道形成后，储能电容器使高压磁开关反向饱和，储能电容器放电。因固体物形成了放电通道，阻抗相对与传输线串联的电阻小，更多的能量进入通道。.放电完成后，电源分别对储能电容器和Tesla原边电容充电，充电到额定电压后再放电，重复上述过程。

Claims (7)

1.一种用于固体水中破碎的高压脉冲装置，其特征在于：它包括变压器（1）、设置于变压器初级回路上的晶闸管、以及控制器（11）、接地电极（9）、储能电容（2），控制器（11）用于控制晶闸管的通断，变压器（1）的次级回路输出端分别与第一电极（12）、放电电极（7）连接，所述接地电极（9）的另一端为第一接地端（13），储能电容（2）两端并联恒流充电电源（5），储能电容（2）的一端与第二接地端连接、另一端与高压磁开关（3）的一端连接，高压磁开关（3）的另一端与第二电极（4）连接，第一电极（12）与第二电极（4）之间形成气体间隙。

2.根据权利要求1所述的用于固体水中破碎的高压脉冲装置，其特征在于：包括用于装液质和待破碎固体物（8）的槽体（10），放电电极（7）、接地电极（9）用于与待破碎固体物（8）接触以对待破碎固体物（8）进行破碎。

3.根据权利要求1或2所述的用于固体水中破碎的高压脉冲装置，其特征在于：所述变压器（1）为Tesla变压器。

4.根据权利要求3所述的用于固体水中破碎的高压脉冲装置，其特征在于：所述变压器（1）的次级回路输出端通过同轴传输线（14）与电阻（6）连接后再分别与第一电极（12）、放电电极（7）连接。

5.根据权利要求3所述的用于固体水中破碎的高压脉冲装置，其特征在于：所述变压器（1）的初级回路与整流电路（15）连接。

6.根据权利要求2所述的用于固体水中破碎的高压脉冲装置，其特征在于：所述接地电极（9）与放电电极（7）相对，且接地电极（9）与放电电极（7）之间距离为50-100mm。

7.根据权利要求1或2所述的用于固体水中破碎的高压脉冲装置，其特征在于：所述放电电极（7）的电极末端为尖端。